Materia oscura: ¿Puedes oírme ahora?

Baches de materia oscura ensucian alrededor del 25 por ciento del universo, como las piezas de estática que lo golpean a usted mientras navega por el dial de radio: definitivamente están allí, pero son de origen poco claro.
A través de un proceso de eliminación, los colaboradores del Observatorio Subterráneo de Física de Partículas de Chicago, dicen que han encontrado una manera de utilizar el sonido para sintonizar la materia oscura que pasa por una cámara de burbujas subterránea y descartar el paso de partículas impostoras. Esta discriminación acústica funciona si es que la materia oscura consiste en partículas masivas de interacción débil, o WIMPs, uno de los principales candidatos teóricos para esta misteriosa materia subatómica gravitacional.

Andrew Sonnenschein, colaborador de COUPP controla la cámara de burbujas de 4kg en la sala de MINOS en el Fermilab en 2005. Crédito: COUPP.

Con base en las teorías de la composición de los WIMPs y en datos sobre cómo las partículas con masas similares y sin carga eléctrica se comportan, los físicos pueden calcular el tipo de burbuja y el ruido de las vibraciones que un WIMP generaría al golpear el núcleo de una partícula de líquido en un detector. Lamentablemente, en la cámara de burbujas de COUPP esa burbuja que simulaba WIMP se parece mucho a la burbuja causada por las partículas alfa comunes tales como las emitidas por el radón. Estas partículas inestables se desintegran emitiendo una partícula alfa y una partícula secundaria que choca y produce un retroceso como un acorazado al disparar un gran proyectil. La diferenciación entre estas dos interacciones de partículas han bloqueado a los investigadores hasta que ellos aprendan a escuchar, no exclusivamente mirar.

Colaboradores del Fermilab, la Universidad de Chicago y la Universidad de Indiana en South Bend, apuntan a esta última partícula restante, que podría imitar el retroceso nuclear de una partícula de materia oscura WIMP, al escuchar las vibraciones del sonido causadas por su retroceso. Programado el detector para descartar aquel sonido, los colaboradores decidieron que cualquier otro tipo de sonido de retroceso sería una señal de la llegada de una partícula de materia oscura.

Este invierno pasado, aquella realización literalmente provocó que la mandíbula del colaborador de COUPP, Mike Crisler, se cayera, cuando durante una sencilla prueba de R&D, para eliminar el ruido de radón en una cámara de burbujas de 4kg, mostró que las WIMPs simuladas y las partículas alfa producen ruidos distintivos.

"Esto es realmente uno de los momentos más impresionantes que he tenido en el Fermilab," dijo Crisler. "Y he estado aquí durante 30 años".

Cuando una partícula cargada cruza a través del líquido, se dispara la ebullición a lo largo de su trayectoria, que se ve como una serie de pequeñas burbujas. Los científicos esperan que un WIMP deje una sola burbuja en contraste con las huellas de múltiples burbujas dejadas por muchas otras partículas. Crédito: COUPP.

Ese sonido metálico profundo, que suena algo así como el sonar de un submarino, causado por una vibración en el borde de la cámara de burbujas, fue generado por los cambios de presión después que una partícula cargada atraviesa rápidamente la cámara. Fue un momento en que cambió el juego para COUPP, y los colaboradores tienen esperanza para la búsqueda de materia oscura.

Los teóricos predicen el descubrimiento de lo que compone las partículas de materia oscura para dentro de los próximos 5 a 10 años, y los experimentos en todo el mundo están compitiendo para reclamar el premio por la creación de vdetectores únicos y más grandes.

La eficacia de estos detectores para "escuchar" podría ayudar a determinar quién encuentra la materia oscura en primer lugar. COUPP y el experimento italiano PICASSO, situado en SNOLAB en Canadá, ambos hacen burbujas en detectores de tipo líquido sobrecalentado, y escuchan el sonido indirecto de las vibraciones de las colisiones de partículas que causan las burbujas. La pareja ha estado compitiendo por el liderazgo en la búsqueda de WIMPs dependientes del espín, donde la interacción de los WIMPs depende del espín del núcleo de la partícula con la que choca. PICASSO por primera vez ha utilizado el sonido para distinguir la materia oscura de partículas alfa, pero, al menos por el momento, COUPP ha realizado el mayor uso de esta herramienta.

Durante una prueba inicial de cuatro meses en el túnel NUMI de 350 pies de profundidad del Fermilab, COUPP validó el uso de la discriminación alfa y estableció los nuevos límites dependientes del espín del WIMP. En una conferencia de Vino y Queso el 19 de marzo en el Fermilab, los colaboradores de COUPP destacaron estos resultados.

Los líderes en la búsqueda de WIMPs independientes del espín son CDMS II, que registra el sonido directo de las vibraciones en un detector de Minnesota, y el XENON 100, que utiliza luz y carga eléctrica en su detector italiano.

Además la discriminación acústica de COUPP podría hacerlo más competitivo con CDMS II y XENON 100, dijo Crisler. La adición de un detector más grande y un sitio más profundo revelará cuanto más competitivo es.

Los colaboradores planean probar una cámara de más de 60 kg este mes en el túnel NUMI y, posiblemente, se desplazará SNOLAB a 2 kilómetros de profundidad para el otoño. Ellos tienen la esperanza de llegar finalmente a asociarse con el experimento PICASSO.

"Ha habido preocupación de que incluso con su espectacular rechazo del fondo gamma y beta, COUPP siempre puede estar limitado por los acontecimientos del fondo alfa", dijo Crisler. "Pero COUPP, con el robusto rechazo de alfa tiene el potencial para pasar por delante en la competencia".

Colaboradores COUPP instalan una cámara de 60 kg para las pruebas de burbujas en el edificio DZero en el Fermilab en septiembre de 2009. Crédito: COUPP.

Fue PICASSO que dio a COUPP la idea de utilizar la discriminación acústica, cuando descubrió en 2008 un menor ruido de retrocesos nucleares de las partículas WIMP simuladas que de la desintegración alfa. La desintegración alfa emite tanto un retroceso como una partícula alfa, por lo que el sonido es más fuerte. PICASSO descubrió que las alfas producen vibraciones que fueron aproximadamente dos veces más ruidosas, lo cual puede ser visto como señales de mayor frecuencia en las lecturas del detector. COUPP dió una señal aún más evidente cuando se adaptó lo que PICASSO había hecho con sus gotitas de gel sobrecalentado al CF3I de COUPP, semejante al agua, un líquido de extinción de incendios. Buscando burbujas previamente había descartado la mayoría de las partículas que podrían confundirse con la materia oscura, y ahora, escuchando a las burbujas, ha descartado el último impostor potencial remanente, la partícula alfa.

"Las señales de alfa y de la potencial materia oscura pueden parecer casi lo mismo", dijo Jeter Hall, colaborador de COUPP. "Pero los fondos de alfa son significativamente más altos, haciendo la discriminación más fácil".

Escuche la diferencia aquí:

Un clip de sonido de una burbuja de partícula alfa en el experimento COUPP.

Un clip de sonido de una burbuja de partícula WIMP simulada en el experimento COUPP.


Traducido de:
Dark Matter: Can you hear me now?